軌道科學·ATK公司的危和機

2018-05-05 01:17:34遲惑

太空探索 2018年5期

關鍵詞：發動機科學

文/ 遲惑

我們中國人在討論危機這個詞匯的時候，總是用機遇和風險并存來解讀，在英文當中，作為危機的crisis，并不含有機遇這個層次的意義。

但是最近一段時間，隨著美國國防部新一輪漸進型一次性運載火箭招標的開始，中文的危機也被美國人引入了自己的解讀當中。

面臨這種機遇和風險并存局面的是誰呢？這是我們所熟悉的軌道科學·ATK公司。

志在必得的競標

在美國的火箭制造商當中，軌道科學·ATK公司往往是一個被人們忽視的角色。風光在航天媒體新聞頭條上的，不是聯合發射聯盟公司，就是太空探索技術公司，藍色起源公司偶爾也被人提起。

然而軌道科學·ATK公司卻是一家成功運行了好幾十年的中型企業。它擁有三種相當不錯的火箭，其中有能夠發射載貨飛船前往國際空間站的心宿二火箭，還有世界上唯一投入業務運行的空射運載火箭“飛馬座”，以及一種不算很起眼的中型火箭“人牛座”。這家公司之所以容易被人們忽視，可能是出于兩個原因。首先是公司負責人不善于作秀。軌道科學·ATK公司創始人戴維·湯普森是一個標準的學霸，善于做研發，善于做運營，但是不善于向公眾忽悠。另外一個問題是，軌道科學·ATK公司沒有重型火箭。心宿二火箭雖然能夠發射飛船，但是近地軌道運載能力只有6.5噸，不夠炫，也不夠刺激。

▲ “歐米茄”將采用5米直徑的大型整流罩

原本來說，這樣的局面也沒有什么大不了的，軌道科學·ATK公司有自己的目標市場，那就是中小型航天器的低成本發射。軌道科學·ATK公司從來不和聯合發射聯盟公司去爭奪重型衛星和高價的軍方發射服務合同，反正也搶不過嘛。

但是太空探索技術公司及其獵鷹9號火箭的存在，讓這田園牧歌般的生活出了很大的問題。主要原因是獵鷹9號運載火箭的發射服務實在是太便宜了。這樣在整個西方航天產業內也形成了一種“能讓馬斯克發射，就不讓別人發射”的輿論環境。對于小本經營的軌道科學·ATK公司來說，這可如何是好？

軌道科學·ATK公司雖然曾經入選美國宇航局的商業軌道運輸服務合同，但這份合同的采購總量是非常有限的。而且更大的問題是，美國政府打算到2024年就放棄國際空間站不干了。到那個時候，國際空間站或者轉向商業化運營，或者由其他幾個參與方出資運營。如果2024年后國際空間站還需要貨物運輸合同，那么肯定是采用最低價中標的模式，換句話說，所有的合同都會被馬斯克搶走。軌道科學·ATK公司在發射市場上可怎么活呢。

這件事情毋庸置疑地是一個crisis。

美國空軍新的引進型一次性運載火箭合同的競標卻為軌道科學·ATK公司提供了新的機會。美國空軍的合同以數量大、價值高、運行穩定著稱，誰要是被選進了名單，至少在今后十幾年的時間當中，可以享受到一份保底的穩定收入。對軌道科學·ATK公司來說，如果能進入名單，至少可以把公司的運載火箭任務保存下來。

當然要想進入名單，現有的三種火箭肯定是不夠的，而且心宿二火箭自身面臨著嚴重的問題?！靶乃薅钡睦习姹静捎枚砹_斯的NK-30發動機，2014年發射失敗后改用俄羅斯的RD-181。對俄羅斯發動機的依賴，讓這個型號很難進入美國軍方采購合同。君不見，連洛·馬公司這個強悍的老牌軍火商，都要搞新的國產發動機和新的火箭了，弱小的軌道科學·ATK公司怎么可能逆轉大趨勢呢。

▲“歐米茄”中型配置發射前的想象圖

所謂求人不如求己，既然老型號不中用，那么就索性自己從頭搞一個大型火箭吧。說不定公司就這樣浴火重生了。

這當然就是我們所說的opportunityle 。

下面就讓我們來看一看軌道科學·ATK公司打算用一個什么樣的型號來轉危為機。

“歐米茄”長啥樣

從1998年和2017年美國空軍所發射的衛星參數對比來看，有一個顯著的趨勢，就是衛星越來越大、越來越重。其中低軌道衛星的重量減小了，但太陽同步軌道、中軌道、地球同步轉移軌道、地球靜止軌道衛星的重量都增加了不少，甚至有翻倍的，而且使用5米以上直徑大型整流罩的機會越來越多。這顯然是衛星功能越來越多、性能越來越好，一方面需要更大面積的太陽能電池、更多的電力才能工作，另一方面也需要更大孔徑的天線來完成數據傳輸或者電子信號監聽任務。

▲ “歐米茄”重型配置在發射臺上的想象圖，助推器還沒有安裝

▲ 心宿二火箭采用了俄羅斯發動機，而且運載能力不足

因此，軌道科學·ATK公司需要研制什么火箭也很清楚了——一種能使用5米以上直徑整流罩的大運力火箭。這個目標對軌道科學·ATK公司來說，還是有點挑戰性的。

然而，他馬斯克做得，我戴維·湯普森為什么做不得？在合并之前，軌道科學公司和ATK公司都已經是航天界的老手。軌道科學公司擁有“飛馬座”、“人牛座”、“心宿二”幾種火箭，ATK公司擁有多種大直徑固體火箭發動機的研制經驗，包括用于德爾塔2火箭的GEM-63助推器。航天飛機的兩個固體燃料助推器（SRB）也是ATK公司出品。

▲幾種火箭的尺寸對比

說起SRB，大家都非常熟悉。這兩根鉛筆一樣的東西是史上最強大的固體火箭發動機，海平面推力達到14682.36千牛。航天飛機起飛推力的71.4%是由這兩枚火箭提供的。SRB的直徑達到3.71米，用來作為一種大型火箭的芯級是相當合適的。

單臺SRB采用5段固體燃料，工作時間127秒。如果作為發射衛星的運載火箭的某一級，根本不需要這么強大的功能。因此軌道科學·ATK公司在SRB基礎上搞了三種縮水版的發動機，分別稱為“蓖麻300”、“蓖麻600”和“蓖麻1200”。其中“蓖麻300”采用一段SRB的固體燃料，“蓖麻600”采用兩段，“蓖麻1200”采用四段。

▲ 軌道科學·ATK公司曾經討論過的4種“歐米茄”芯級構型，最左邊是航天飛機固體助推器

軌道科學·ATK公司手里還有一種可以作為助推器的發動機，也就是GEM-63。這也是一種經過飛行檢驗的型號，是宇宙神5火箭的助推器。聯合發射聯盟公司研制中的火神火箭，也要采用GEM-63的改進型。

通過這些發動機的組合，軌道科學·ATK公司提出了一種叫做“下一代運載火箭”（NGL）的型號，競爭新一輪EELV合同。NGL分為中型和重型兩種配置，分別叫做500系列和500XL系列。NGL只是一個概念性的稱呼，新火箭還是要有自己的綽號的。經過反復斟酌，軌道科學ATK公司給NGL起了一個正式名字“歐米茄”。中型火箭的第一級采用單臺“蓖麻600”和兩枚GEM-63助推器，二級采用單臺“蓖麻300”發動機，整流罩直徑5米、長15米，地球同步轉移軌道運載能力達到4900千克～10100千克；重型火箭的第一級采用單臺“蓖麻1200”發動機和兩枚GEM-63助推器，二級還是單臺“蓖麻300”，整流罩直徑5米、長可達20米，可以把衛星直接送入靜止軌道，運載能力達到5250千克～7800千克。

火箭的電子系統直接沿用自成熟的人牛怪火箭，并進行適應性改造。

誰家低溫火箭好？

談到這里，大家可能會問，第三級火箭是什么？事實上，第三級火箭的問題上確實發生了一些變故。在設計之初，“歐米茄”打算采用藍色起源公司的BE-3U發動機。這成為藍色起源公司研發業績的又一個證據，連“火神”都要用這家公司的BE-4嘛。但是后來，采用BE-3U的討論越來越少，最后，軌道科學·ATK公司宣布，要換用阿羅杰特-洛克達因公司的RL-10液氫液氧發動機或者歐洲空客公司在研的“達·芬奇”發動機。

為什么煮熟的鴨子會飛？因為BE-3U的推力高達53.4千牛，“歐米茄”的第三級根本不需要這么大推力。雖然可以把BE-3U的推力相應調低，但是不可能按比例調低發動機的體積和重量，更不會調低成本。這樣就會形成一種性能參數很難看的發動機。所以，“歐米茄”放棄BE-3U也是情理之中的。

最后，“歐米茄”上面級選定了RL-10發動機，美機美造嘛。無論從政治上、技術上還是經濟上，這都是個合乎邏輯的選擇。

復材+一次性 VS 鋼材+復用

如果說過去幾年運載火箭技術領域有什么大的突破，“獵鷹9號”的一級回收和重復使用肯定會名列其中。這項成就已經逼迫著相當多火箭制造商提出自己的回收復用方案。但軌道科學·ATK公司卻反其道而行之，把已經成熟的回收復用火箭改成了一次性的。

眾所周知，航天飛機固體火箭助推器（SRB）在燃盡之后，用降落傘降落到海面上，然后回收、整修，重新使用。相關飛行記錄已經有100多次，基本上沒有發生過問題。SRB的殼體是鋼制的。但是軌道科學·ATK公司決定，在“歐米茄”火箭上不再使用鋼制殼體，而是改用碳纖維復合材料殼體。這種技術來自于當年的陸基機動彈道導彈，它不能回收復用，打完一次就得扔掉了。

軌道科學·ATK公司這是要開歷史倒車嗎？

▲ 重型獵鷹的發射成功讓軌道科學·ATK公司倍感壓力

根據公司的解釋，一次性的復合材料火箭殼體制造工時比較短，比翻新鋼殼體還少46%。幾個工人操縱一臺大型機器，就可以完成一臺殼體的制造工作。想想火箭技師的工資水平，減少46%工時對于降低成本的效果還是很顯著的。

有分析家提出了這樣的類比。每個人在吃完蛋糕之后，都會把紙盤子直接扔掉，幾乎沒有人打算洗干凈重新用。但如果用細瓷盤子進餐，幾乎每個人都會在事后把它洗干凈重新用，而不是扔掉。如果細瓷盤子的價錢和紙盤子一樣，恐怕就有不少人把它當作一次性用品了?；鸺彩且粯?，如果軌道科學·ATK公司能夠通過種種措施，把火箭的總體價格降下來，降到和“獵鷹9號”回收復用一樣的程度，那就具有顯著競爭力了。

便宜、更便宜

單單降低殼體成本還不夠，軌道科學·ATK公司把壓縮成本的努力擴大到了其他很多方面。例如，他們正在考慮用高氯酸銨作為兩級固體火箭推進劑中的氧化劑。氧化劑的重量占到了推進劑總重量的70%，改用高氯酸銨后，推進劑成本可以降低50%。雖然高氯酸銨具有很強的腐蝕性，也容易燃燒和爆炸。但為了降低成本，軌道科學·ATK公司還是沒有排除這個選擇。

除了打火箭的主意，軌道科學·ATK公司還在生產和發射流程中設法減少開支?！皻W米茄”的發動機既然是SRB縮短而來，那么就可以用SRB的生產線來生產，反正航天飛機退役后，這條生產線就空閑下來了。“歐米茄”還可以用航天飛機的發射臺來發射，至少燃料是一樣的嘛！而且美國宇航局新的SLS火箭也要從這個發射臺起飛，可以分攤不少費用。

軌道科學·ATK公司之所以要這樣努力地控制成本，主要還是為了爭得最后合同。和聯合發射聯盟公司、太空探索技術公司相比，“歐米茄”的劣勢是很明顯的。無論“德爾塔4”還是“宇宙神5”，在過去20年的飛行中都沒有發生過任何事故。“獵鷹9號”雖然出過幾次事故，但總體可靠性還不錯，而且價錢便宜到不能再便宜了?！皻W米茄”還在繪圖板上，沒有什么發射記錄可言。雖然發動機都是成熟技術，但從分系統到總體的路還很長。所以，盡力控制成本是贏得合同的最有力手段。如果“歐米茄”的綜合成本能夠降低到“獵鷹9號”的水平甚至更低，那么拿到長期合同的可能性就非常高了。